AMC0x06M25：高精度隔離式ΔΣ調(diào)制器的技術(shù)解析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度的電流檢測(cè)和信號(hào)處理至關(guān)重要。德州儀器（TI）的AMC0x06M25系列，包括AMC0206M25和AMC0306M25，是兩款專為高精度電流檢測(cè)設(shè)計(jì)的精密、電氣隔離式ΔΣ調(diào)制器。它們?cè)?a target="_blank">電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏逆變器、服務(wù)器電源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。下面我們就來詳細(xì)了解一下這兩款調(diào)制器。

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核心特性剖析

電氣性能卓越

• 寬電壓范圍：線性輸入電壓范圍達(dá)到±250mV，高側(cè)電源（AVDD）范圍為3.0V至5.5V，低側(cè)電源（DVDD）范圍為2.7V至5.5V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。
• 低直流誤差：偏移誤差最大為±200μV，偏移漂移最大為±2μV/°C，增益誤差最大為±0.2%，增益漂移最大為±30ppm/°C，確保了在不同溫度和工作條件下的高精度測(cè)量。
• 高共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）：最低達(dá)到150V/ns，能有效抵抗共模瞬態(tài)干擾，保證在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定工作。
• 低電磁干擾（EMI）：符合CISPR - 11和CISPR - 25標(biāo)準(zhǔn)，減少對(duì)周圍電子設(shè)備的干擾。

隔離性能出眾

• 不同隔離等級(jí)可選：AMC0206M25提供基本隔離，AMC0306M25提供加強(qiáng)隔離，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的安全需求。
• 多項(xiàng)安全認(rèn)證：獲得DIN EN IEC 60747 - 17（VDE 0884 - 17）和UL 1577等安全相關(guān)認(rèn)證，為設(shè)計(jì)的安全性提供了有力保障。

寬溫度范圍工作

可在 - 40°C至 + 125°C的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍內(nèi)完全正常工作，適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

應(yīng)用領(lǐng)域探索

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，精確的電流測(cè)量對(duì)于電機(jī)的控制和保護(hù)至關(guān)重要。AMC0x06M25的高精度和高CMTI特性，能夠準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，同時(shí)有效抵抗電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的共模干擾，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

光伏逆變器

光伏逆變器需要對(duì)電池板的輸出電流進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。AMC0x06M25的低直流誤差和寬溫度范圍工作特性，能夠在不同的光照和溫度條件下，準(zhǔn)確測(cè)量電池板的輸出電流，提高光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率。

服務(wù)器電源

服務(wù)器電源需要對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行。AMC0x06M25的高隔離性能和低EMI特性，能夠有效隔離電源和負(fù)載之間的電氣連接，減少電磁干擾對(duì)服務(wù)器的影響，提高服務(wù)器電源的可靠性和安全性。

儲(chǔ)能系統(tǒng)

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，精確的電池充放電電流測(cè)量對(duì)于電池的管理和保護(hù)至關(guān)重要。AMC0x06M25的高精度和高可靠性，能夠準(zhǔn)確測(cè)量電池的充放電電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的精確管理，延長電池的使用壽命。

技術(shù)原理深度解析

模擬輸入設(shè)計(jì)

AMC0x06M25采用全差分、開關(guān)電容電路作為模擬輸入，在20MHz時(shí)具有27.5kΩ的動(dòng)態(tài)輸入阻抗。采樣電容以時(shí)鐘頻率 (f_{CLK}) 進(jìn)行連續(xù)充電和放電，確保了對(duì)輸入信號(hào)的準(zhǔn)確采樣。同時(shí)，為了保證設(shè)備的正常工作，需要將模擬輸入信號(hào)限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，避免超出絕對(duì)最大額定值和推薦工作條件。

調(diào)制器工作機(jī)制

該調(diào)制器采用二階、開關(guān)電容、前饋ΔΣ調(diào)制器架構(gòu)。輸入電壓 (V{IN}) 與1位DAC的輸出 (V{5}) 相減，得到的模擬電壓 (V{1}) 輸入到第一積分器階段，經(jīng)過兩次積分后，輸出電壓 (V{3}) 與 (V{IN}) 和第一積分器的輸出 (V{2}) 相加，根據(jù)比較器的輸出結(jié)果，1位DAC調(diào)整輸出電壓 (V{5}) ，使積分器輸出跟蹤輸入的平均值。為了降低偏移和偏移漂移，積分器采用斬波穩(wěn)定技術(shù)，斬波頻率設(shè)置為 (f{CLKIN} / 16) 。

隔離通道信號(hào)傳輸

AMC0x06M25使用開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制方案，通過基于二氧化硅（(SiO_{2})）的電容隔離屏障傳輸調(diào)制器輸出的比特流。內(nèi)部時(shí)鐘生成的高頻載波（標(biāo)稱頻率為480MHz）用于表示數(shù)字1，無信號(hào)傳輸表示數(shù)字0。這種調(diào)制方式和隔離屏障特性，使得設(shè)備在噪聲環(huán)境中具有高可靠性和高共模瞬態(tài)抗擾度。

數(shù)字輸出特性

理想情況下，輸入電壓為0V時(shí)，輸出比特流中1的占比為50%；輸入電壓為1V時(shí)，1的占比為89.06%，對(duì)應(yīng)16位分辨率下的代碼為58368；輸入電壓為 - 1V時(shí)，1的占比為10.94%，對(duì)應(yīng)代碼為7168。當(dāng)輸入電壓超出線性范圍時(shí)，調(diào)制器輸出會(huì)出現(xiàn)非線性行為，輸入電壓 ≤ - 1.28V時(shí)，輸出為連續(xù)的0；輸入電壓 ≥ 1.28V時(shí)，輸出為連續(xù)的1。在滿量程輸入時(shí)，設(shè)備會(huì)每128個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)1或0，以指示設(shè)備正常工作。

設(shè)計(jì)與應(yīng)用要點(diǎn)

典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

在典型應(yīng)用中，負(fù)載電流通過外部分流電阻 (R_{SHUNT}) 產(chǎn)生電壓降，AMC0x06M25的高側(cè)電路感測(cè)該電壓降，將其數(shù)字化后通過隔離屏障傳輸?shù)降蛡?cè)，低側(cè)電路在DOUT引腳輸出與CLKIN引腳時(shí)鐘同步的數(shù)字比特流。該比特流由微控制器（MCU）或FPGA中的低通數(shù)字濾波器進(jìn)行處理。

設(shè)計(jì)要求與步驟

• 電源選擇：高側(cè)電源（AVDD）和低側(cè)電源（DVDD）可選擇3.3V或5V。
• 分流電阻選擇：根據(jù)所需測(cè)量電流，使用歐姆定律 (V{SHUNT}=I × R{SHUNT}) 計(jì)算分流電阻上的電壓降。選擇 (R{SHUNT}) 值時(shí)，需確保標(biāo)稱電流范圍內(nèi)的電壓降不超過推薦的差分輸入電壓范圍（(V{SHUNT} ≤ pm 250 mV)），最大允許過電流下的電壓降不超過導(dǎo)致削波輸出的輸入電壓（(V{SHUNT} ≤ V{Clipping})）。
• 輸入濾波器設(shè)計(jì)：在設(shè)備前端放置差分RC濾波器（R1、R2、C5），以提高信號(hào)路徑的信噪比。濾波器電容C5最小為10nF，截止頻率至少比ΔΣ調(diào)制器的采樣頻率（(f_{CLKIN})）低一個(gè)數(shù)量級(jí)，動(dòng)態(tài)輸入偏置電流在直流阻抗（R1、R2）上產(chǎn)生的電壓降相對(duì)于共模輸入電壓范圍應(yīng)不顯著，且從模擬輸入測(cè)量的阻抗應(yīng)相等（R1 = R2）。同時(shí)，放置電容C6和C7以提高高頻共模抑制和偏移電壓性能。
• 比特流濾波：調(diào)制器生成的比特流由數(shù)字濾波器處理，以獲得與輸入電壓成比例的數(shù)字字。sinc3型濾波器是一種簡單且硬件成本低的濾波器，其傳遞函數(shù)為 (H(z)=(frac{1 - z^{-OSR}}{1 - z^{-1}})^3) ，該濾波器在二階調(diào)制器中具有最佳的輸出性能和最小的硬件規(guī)模。本文件中的所有特性表征均使用sinc3濾波器，其過采樣比（OSR）為256，輸出字寬為16位。

最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐

• 在設(shè)備輸入（從INP到INN）放置最小為10nF的電容，避免開關(guān)電容輸入級(jí)采樣期間輸入電壓下降。
• 不要在設(shè)備輸入處直接將GND1與INN短路，為獲得最佳精度，將接地連接作為單獨(dú)的走線直接連接到分流電阻。
• 設(shè)備上電時(shí)，不要讓AMC0x06M25的輸入懸空，否則輸入偏置電流可能會(huì)使輸入電壓超過工作共模輸入電壓范圍，導(dǎo)致設(shè)備輸出故障安全電壓。
• 將高側(cè)接地（GND1）通過硬短路或電阻路徑連接到INN，以定義輸入共模電壓，但不要超過推薦工作條件表中規(guī)定的輸入共模范圍。

電源供應(yīng)建議

在典型應(yīng)用中，AMC0x06M25的高側(cè)電源（AVDD）可由低側(cè)電源（DVDD）通過隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器生成。低成本方案可基于推挽驅(qū)動(dòng)器SN6501和支持所需隔離電壓額定值的變壓器。設(shè)備不需要特定的上電順序，高側(cè)電源（AVDD）和低側(cè)電源（DVDD）分別使用低ESR的100nF電容和1μF電容進(jìn)行去耦，且這些電容應(yīng)盡可能靠近設(shè)備放置。

布局注意事項(xiàng)

• 布局時(shí)，去耦和濾波電容應(yīng)盡可能靠近AMC0x06M25的輸入引腳，以減少噪聲干擾。
• 參考布局示例，合理安排元件位置，確保信號(hào)路徑的最短和最直接，減少信號(hào)干擾和延遲。

總結(jié)與展望

AMC0x06M25系列調(diào)制器憑借其卓越的電氣性能、高隔離等級(jí)、寬溫度范圍工作能力以及靈活的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，為高精度電流檢測(cè)和信號(hào)處理提供了理想的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理的設(shè)計(jì)和布局，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的可靠性和性能。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，相信AMC0x06M25在更多領(lǐng)域?qū)⒄宫F(xiàn)出其強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。

各位工程師朋友們，在使用AMC0x06M25進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，你們遇到過哪些挑戰(zhàn)和問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。